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细胞如何感受氧气
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氧气是一切需氧生物生存的基本条件，因此生物体必然存在感受氧气的信号识别系统，细胞和机体对氧气浓度的识别也必然是生命的最基本功能，也就是说细胞必然存在氧气的感受器，不过生物学家对氧气感受的认识是最近10年才逐渐清楚。研究发现这种氧气的感受器并不是感受氧气而是感受低氧，其实感受本质上是识别的信息变化，这也完全可以理解。
上世纪90年代，William G. Kaelin Jr. 和Gregg L. Semenza革命性地发现让人们理解了细胞在分子水平上感受氧气的基本原理，他们主要是通过对低氧诱导因子hif水平调节机制的深入研究。在低氧条件下，许多细胞内hif水平增加，Hif是低氧相关基因的转录因子，能促进各种应对低氧的基因表达，在肿瘤发生、血管增殖、无氧代谢等细胞基本代谢调节中的核心事件。hif在细胞内被泛素化后经过蛋白酶水解，hif泛素化的条件是需要脯氨酸羟化，脯氨酸羟化需要脯氨酸羟化酶，羟化本质上是氧化，脯氨酸羟化酶需要氧气作为底物，缺乏氧气脯氨酸羟化酶就无法发挥作用，导致hif泛素化水解的失效，结果是这种蛋白在细胞内积聚。这些研究证明，脯氨酸羟化酶就是细胞内氧气的感受器。这种让人们对生命现象，尤其是对生物感受氧的分子机制的知识，绝对属于世纪贡献，早晚可以获得诺贝尔医学生理学奖，让我们拭目以待。
WilliamG. Kaelin Jr. 和Gregg L. Semenza，2010年他们曾经获得加拿大小诺贝尔奖加拿大盖尔德纳奖，2012年获得ASCI/Stanley J. Korsmeyer奖，他们主要贡献是在研究细胞内氧感受器方面，这方面似乎没有受到国内学者的足够关注，这里对他们介绍。
1993年，Kaelin教授作David Livingston的博士后期间，他正研究视网膜母细胞瘤抑癌蛋白，他注意到一篇关于von Hippel–Lindau (VHL)抑癌基因的文章，他认为这个基因和他们的研究有很大关系，因为视网膜母细胞瘤的一些特征比较适合研究VHL蛋白，他非常熟悉VHL疾病的临床特征，在医学院学习时他就知道这种患者容易发生肾癌和血管母细胞瘤。他希望能研究一种常见的癌症，研究VHL至少能和比较常见的肾癌联系起来。另外，他更吃惊的是VHL肿瘤细胞能分泌促红细胞生成素，并且患者血管增生明显。这都属于低氧情况下发生的常见情况。当时学术界都热衷于通过阻断血管增殖实现饿死肿瘤细胞治疗的研究思路。但当时对血管增殖的分子机制并不是非常了解。VHL的临床特征让Kaelin教授意识到VHL基因对控制血管增殖十分关键，甚至和细胞感受氧气变化有关系。这正是导致后来他证明这个现象导致后来重要发现的关键想法。
Semenza教授在约翰霍普金斯大学作博士后期间，他对基因调节有兴趣，决定研究人类促红细胞生成素基因。他首先构建出一系列转基因小鼠，这些动物能够表达人类的促红细胞生成素，他在动物肝脏和肾脏内检测到控制人类促红细胞生成素基因表达的序列，并发现在其他组织这种序列不表达。随后他对低氧调节这种基因转录的原因产生了兴趣。在体外培养细胞时，他发现需要在低氧条件能激活这种基因序列，他找到了一个能对低氧产生反应的DNA序列，这种序列被称为低氧反应元件。他们推测应该有一种转录因子可以结合在这个位置上，采用这种DNA序列作为探针确定了一种蛋白质，只有在低氧环境下这种蛋白才出现细胞内，因此被命名为低氧诱导因子1(HIF-1)。然后使用DNA亲和层析技术从100升HeLa细胞培养液中纯化出50 p摩尔这种蛋白，经过分析发现这种蛋白是由两个亚单位组成的二聚体，他们将他们分别命名为Hif1α和Hif1β。然后利用这些有限的蛋白序列，克隆到它们的cDNA，最后进行了序列分析。
研究的目的很单纯，就是为理解细胞如何表达和控制EPO的基因表达。Semenza个人认为，当他们发现了这个蛋白时，一点都没有意识到这种分子的重要性。当时人们对低氧的效应并不了解，也不清楚太多低氧相关基因。当发现这个蛋白后，第一件事是希望找找有没有其他非EPO的基因也受到HIF-1的影响，结果发现糖酵解相关的酶和VEGF基因也受到这个蛋白控制。随后这类发现就像雨后春笋一般大量被发现。现在已经知道超过800个基因受到Hif1调节。
Kaelin教授是如何发现低氧感受器的？Kaelin教授说是“开放式思维out-of-the-box thinking”帮了忙。我们知道正常细胞在有氧条件下能降解Hif1α（Semenza教授已经确定了这个蛋白），但是缺乏VHL蛋白（pVHL）的细胞即使在有氧条件下也不能降解Hif1α，这导致HIF的持续激活，他实验室的两个博士后CheolWon Park和MirceaIvan发现，pVHL能直接结合HIF，但是这种结合只发生在先将动物细胞提取物和HIF共同孵育后，而且如果这种动物细胞提取物用低氧处理后就不会产生这个效果，这说明细胞内存在一种能改变HIF的物质，而且这种物质需要有氧气存在的情况下才能发挥作用。
Ivan的工作是将HIF变小，寻找结合pVHL的部位，发现结合pVHL的部位是大约20个氨基酸序列。意外的是，在这20个氨基酸序列中部是8个氨基酸，Jaime Caro曾发现这8个氨基酸是氧气调节HIF的关键。Ivan用丙氨酸取代所有这8个氨基酸发现HIF完全无法结合pVHL，随后证明只有两个氨基酸残基是必需的，一个是亮氨酸一个是脯氨酸。经过查找文献发现，氧气能修饰亮氨酸和脯氨酸，这种修饰具有铁离子敏感性，过去在胶原蛋白脯氨酸羟化酶有许多这方面的研究，这种脯氨酸羟化酶在铁离子存在时能利用氧气羟化脯氨酸。
这简直就是天上掉下的馅饼！他们猜测就是脯氨酸羟化酶调节了HIF，合成了一种含脯氨酸的HIF片段，结果发现这种脯氨酸被羟化后的HIF片段能直接结合pVHL，这种结合具有氧气依赖性。研究提示，脯氨酸羟化酶能感受氧气水平的变化，并能使HIF分子产生和氧浓度相关的变化。
Peter Ratcliffe教授也独立得出同样的结论，几乎同时发表了论文，随后Frank Lee也发表了类似研究。
所有实体肿瘤内都存在低氧细胞，研究低氧的生物学效应对深入理解肿瘤的发生十分重要，另外低氧和许多疾病有关，例如心肌梗死、中风和外周血管疾病等。阻断HIF羟化酶的药物能诱导HIF能治疗缺氧相关疾病。HIF能诱导肿瘤血管生长，部分通过诱导VEGF，VEGF的阻断剂能有效治疗肾癌。但是这些药物并不能治愈癌症甚至肾癌，尤其是开始有效后很快产生耐药。除个别类型外，VEGF阻断剂在大部分类型的肿瘤中的效果不明显。
Semenza一直开展HIF1基因治疗的研究，甚至有一个下肢缺血的患者采用过HIF1基因治疗，当不幸地是没有获得治疗效果。Semenza用老年动物开展的研究发现，HIF1似乎无法响应产生，但如果联合使用骨髓移植效果很不错。Semenza分析认为可能动物太老存在严重外周血管病变。他们现在正组织一项基因治疗和细胞治疗的临床研究。
Semenza认为，科学家受到最大的挑战是在年轻时期，当开始独立开展一项研究项目时，你必需写申请书，你一边亲自作研究，还要训练和指导其他成员。年轻科学家还必需参与教学和组织学术活动的工作。回头看看，Semenza认为年轻时期独立过程是最具有挑战性的阶段。Semenza教授经常告诉年轻人，要坚持一下，情况会慢慢变好的。
Kaelin教授回忆在大学期间艰苦地作了一个1.5年的化学研究项目，最后老板给他一个C+，告诉他将来不适合从事实验研究。后来他想，他也很感谢自己这段失败的经历。Kaelin教授非常庆幸自己受到David Livingston教授的指导，David Livingston教授是他遇到过最好的科学家。David Livingston教授教会他掌握如何阐明科学问题的能力，让他习惯用高标准对待实验设计、数据分析，也让他学会用开放的思想或时刻作准备的头脑。他在后来的指导工作中也有意模仿David Livingston教授的方法。他也非常注意帮助那些挣扎在困境中的年轻人。
Semenza教授习惯问学生的职业目标，并试图有针对性培养他们实现自己的愿望，但有时个人目标和正在作的工作存在冲突，Semenza教授尽量避免干扰年轻人的愿望，但他也会坦率告诉他们为实现目标必需先付出一定代价。
原文：
Kathryn Claiborn(2012).WilliamG. Kaelin Jr. and Gregg L. Semenza receive the 2012 ASCI/Stanley J. KorsmeyerAward .J Clin Invest. 2012; 122(4): 1136–1137.
2019年诺贝尔奖
https://blog.sciencenet.cn/blog-41174-854434.html
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